瀘沽湖生態系統格局變化及其驅動力

馬 赫,石龍宇,付 曉

1 中國科學院城市環境研究所城市環境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085

生態系統構成與格局是指生態系統組成單元的類型、數目以及空間分布與配置,反映各類生態系統自身的空間分布規律和空間結構關系,也是決定生態系統服務功能整體狀況及其空間差異的重要因素[1- 2]。認識與了解生態系統狀況,明確生態系統格局是認識我國生態國情、制定生態保護策略與生態文明建設政策與措施的基礎和依據[3]。

生態系統空間格局的動態與土地利用/覆被變化緊密相連,土地覆被變化是導致生態系統類型轉變和格局變化的重要因素,也是導致生態系統服務變化的直接動力[4]。隨著遙感和地理信息系統技術的發展,近年來很多研究把兩者結合起來探討生態系統構成與格局變化及其規律[5- 11]。

瀘沽湖是中國著名高原淡水湖泊之一,屬于摩梭母系文化區,具有文化景觀的唯一性。正是由于瀘沽湖自然與人文景觀的相互襯托,使瀘沽湖流域具有獨特的旅游價值。旅游業發展導致人類活動增加,也帶來了一系列的環境問題,直接體現在湖泊水體的有機污染日趨嚴重,當地生態環境質量下降[12-13]。另外,由于全球氣候變化與人類活動的負面效應相疊加,流域環境的生態調節和自我恢復能力下降,將嚴重制約瀘沽湖區域的社會經濟可持續發展,威脅流域性生態系統安全。近年來,針對瀘沽湖區域的生態研究主要集中在生態安全評價[14]、水質健康[12]以及可持續生態規劃[13,15- 17]。生態系統及環境要素變化規律是生態學研究的重點之一,對于生態系統及其類型變化進行的研究有助于區域資源合理利用與可持續發展決策,能夠實時、科學地將自然生態系統變化與社會經濟發展態勢集成起來進行深入研究是實現區域可持續發展的重要前提條件。研究的主要目的在于通過對瀘沽湖區域生態系統類型及其結構功能進行周期性觀測,感知其動態變化的態勢與機理,對其生態系統構成、生態系統景觀格局以及生態系統類型轉化特征進行定量分析,為瀘沽湖區域生態系統可持續發展提供科學和理論基礎。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

圖1 瀘沽湖研究區Fig.1 The Lugu lake study area

瀘沽湖位于云南省西北部寧蒗縣和四川省西南部鹽源縣的交界處,其地理座標為100°44′—100°51′E,27°39′—27°45′N之間,屬雅礱江水系,湖面海拔2692.2 m,湖水面積49.5 km2,平均湖深40 m,最深處約70 m。瀘沽湖湖水水質符合國家地面水I類標準,為貧營養型外流高原淡水湖泊。該地區多年平均降水量為940 mm,多年平均氣溫12.8℃,山地土壤主要以棕壤和紅棕壤為主[13]。研究區規劃范圍以《瀘沽湖旅游區總體規劃(修編)》 (2002)中所劃定的瀘沽湖旅游區范圍為依據,北端至永寧溫泉瓦拉別村,東面至溫泉河與省界、永寧壩順公路沿線至拖支,湖區西面和南面基本上以山脊成為邊界,所圍合的范圍包含了湖區的水體、山體、竹地和永寧壩,總面積509.6 km2(圖1)。

1.2 數據來源

采用1990年至2015年,平均每5年1期,共計7景Landsat TM/ETM衛星遙感影像數據進行瀘沽湖流域生態系統信息提取的基礎數據。這些數據在應用于信息提取之前,均經過輻射校正、大氣校正處理,并采用研究區1∶5萬標準分幅地形圖進行配準。研究所采用衛星影像數據見表1所示。

表1 研究采用衛星遙感影像數據

1.3 研究方法

1.3.1生態系統信息分類提取

生態系統空間信息來源于衛星遙感影像數據。通過綜合分析對比,選擇了分辨力中等,幾何精度高,波段范圍寬,利于計算機處理,分類能力好,價格中等的Landsat TM/ETM+圖像作為基本信息源。由于研究區域上空多云頻率極高,獲得完整清晰的可利用影像十分困難,通過比對決定采用該地區冬季的影像數據。

生態系統類型分類是基于土地利用分類系統,并參照景觀生態分類方法進行的。既保持與現行土地利用分類系統一致,又結合景觀生態學和生態系統服務功能評價的實際應用目的,建立了面向生態系統服務功能的生態系統,分類系統分類結果適宜于生態系統服務功能的科學研究與評價。依據瀘沽湖區域的植被類型、土地利用特點,劃分23種土地利用類型和生物群落,確立了遙感影像分類的判讀標識。并根據表2規則進行聚類,將瀘沽湖區域主要生態系統類型分為農田生態系統、森林生態系統、草地生態系統、水域生態系統4個自然生態系統,以及1個人居環境系統,共計5種類別。

表2 瀘沽湖研究區生態系統分類體系

1.3.2景觀指數分析

景觀格局是指不同的景觀嵌塊體在一定區域的景觀空間上的排列組合,其既能體現區域景觀的異質性,也可是自然生態系統與人類社會在不同尺度上相互作用、相互影響的成果?，F代科學技術的發展,特別是3S技術的共同結合,使得從遙感影像中獲取的景觀指數能夠高度濃縮景觀結構、功能和變化,時其成為探討區域景觀格局演變過程特征及規律的重要手段,同時也對區域的合理規劃建設管理、環境保護研究以及資源優化配置有著關鍵作用[18]。

為掌握瀘沽湖流域景觀格局變化規律,研究采用FRAGSTATS 4.2.1軟件對對瀘沽湖區域不同時期遙感影像進行分析,提取相應時期不同生態系統類型的景觀特征因子,從景觀結構、功能和變化這3個彼此連接又相互作用的方面,對瀘沽湖區域在自然的和人為的多種因素相互作用所產生的景觀格局變化及規律進行綜合分析,探討景觀格局變化及其對瀘沽湖生態環境體系的綜合反映。

2 結果與討論

2.1 瀘沽湖生態系統變化分析

在生態系統變化過程中,各種生態系統類型的比例結構變化研究顯得尤為突出。表3列出了瀘沽湖流域不同生態系統類型在不同年代所占的面積與比例。從研究區整體來看,從1990年至2015年多年間研究區內的各個生態系統面積比例在不斷地發生變化。在多年變化中,森林生態系統占比最大,占整個研究區域面積的45%以上；人居環境面積比例變化最大,在1990—2005年僅為0.5%—1%左右,但于2005—2015年期間急劇增長,其占比提升到22%。2015年,各類生態系統占比依次為20.2∶45.4∶4.4∶8∶22(農田∶森林∶草地∶水域∶人居),若以各類生態系統面積比例多年平均值為各系統之間的穩定狀態,則其比例應該為13.5∶61.4∶7.8∶11.4∶5.9(農田∶森林∶草地∶水域∶人居)。

表3 瀘沽湖生態系統類型面積

總體上,瀘沽湖多年間生態系統類型變化主要分為兩個階段。第一個階段為1990—2005年,該階段特征主要體現為農田、森林以及草地生態系統的相互轉化,至第一階段末,即2005年,瀘沽湖區域各生態系統類型面積大小順序依次為森林、水域、農田、草地以及人居。第二個階段為2005—2015年,該階段中瀘沽湖區域各類生態系統的相對面積比例發生較大變化,主要體現為農田、人居環境系統的迅速擴張并入侵其他生態系統,至第二階段末,即2015年,各生態系統類型面積占比依次為森林、人居、農田、水域以及草地。

根據以上兩個階段,通過構建1990年至2015年瀘沽湖流域的生態系統面積變化矩陣(表4、表5),進一步分析區內各類主要生態系統的相互轉化態勢。1990—2005年階段,農田、草地與森林生態系統之間的相互轉移占據其生態系統變化的主要部分。農田生態系統分別從森林和草地轉入18.61 km2和9.58 km2,凈增長22.5 km2；森林生態系統分別從草地和農田轉入37.18 km2和3.88 km2,凈增長10.56 km2；草地生態系統分別向森林和農田轉出37.18 km2和9.58 km2,凈減少35.51 km2。相比之下,其他生態系統類型之間的轉化均沒有超過3 km2,因而在該階段內瀘沽湖區域生態系統類型主要的變化發生在農田、森林與草地生態系統之間。而至2005—2015年階段,森林、草地及水域生態系統整體向農田生態系統及人居環境系統轉化的趨勢成為主導。森林、草地及水域生態系統在此階段內分別凈減少124.84 km2、11.88 km2和14.54 km2,農田生態系統與人居環境系統45.47 km2和105.79 km2。1990—2005年各類生態系統的穩定性狀態排序由強到弱依次為森林、草地、水域、農田以及人居,其中,人居環境系統表現出極不穩定的特點,有97.8%的區域發生了變化。2005—2015年各類生態系統的穩定性排序依次為水域、森林、農田、人居環境系統以及草地,其中,草地表現出極不穩定的特點,有82.7%的區域發生了變化。

表4 1990—2005年生態系統類型面積變化矩陣/km2

表5 2005—2015年生態系統類型面積變化矩陣/km2

2.2 瀘沽湖景觀指數分析

研究通過引入景觀指數進一步分析瀘沽湖生態系統格局結構變化和異質性。以研究區整體為尺度來看,主要分為兩大階段。第一階段1990—2001年間瀘沽湖區域斑塊密度及景觀形狀指數波動上升,平均斑塊面積波動下降,主要體現為景觀破碎化加劇。第二階段中,在2001—2015年期間,瀘沽湖區域斑塊密度、景觀形狀指數及多樣性指數波動下降,平均斑塊面積與波動上升。區域景觀破碎化程度呈下降趨勢,各生態系統類型之間差異逐漸增大(表6)。

表6 不同時期瀘沽湖區域景觀指數

以瀘沽湖區內各類生態系統類型為尺度來看,1990年至2015年期間,農田、森林、草地和水域生態系統的斑塊邊界密度與形狀指數逐年降低,除農田生態系統外,森林、草地、水域生態系統斑塊數均有大幅下降,這些景觀指數的降低表明瀘沽湖區域景觀破碎化程度多年總體上降低,各生態系統類型之間的連通性越來越高、整體性越來越強,而這也導致景觀多樣性指數呈現連續下降態勢的原因之一。此外,農田生態系統經過土地整理后,為便于集約化生產和管理,大大提高了農業生產的集約化程度,形成集中連片格局。同時,隨著瀘沽湖經濟水平的提高和旅游開發的迅速發展,人居環境系統的景觀指數變化幅度最大,斑塊總面積、數目和邊界密度急劇增加,變化率分別為3280.7%、463.4%和141.3%,具體空間分布上主要集中在沿湖部分旅游開發過熱的村莊,如落水村、里格村等。這反映了瀘沽湖區域人居環境系統景觀的破碎化程度在此期間急速增加。而人居環境系統的斑塊的增多,是隨著旅游業的發展所形成的道路、賓館、游憩場所的增多的作用結果(表7)。

表7 瀘沽湖區域5類生態系統景觀指數

2.3 生態系統變化驅動因素分析

2.3.1農田生態系統變化驅動因素分析

1990—2005年階段,瀘沽湖區域農田生態系統面積先增加后減少但總體增加,主要分別從森林、草地生態系統凈轉入14.73 km2和7.87 km2,總體占比增加4.4%(圖2)。以2000年瀘沽湖退耕還林工程實施為分界線,2000年以前瀘沽湖地區根據《永寧鄉土地利用總體規劃》重視基本農田保護,防止隨意侵占和浪費耕地,農田面積逐年增加；2000年至2005年間農田生態系統所占比例下降6.7%,其中向森林流出比例最高,說明退耕還林工程在一定程度上限制了農田生態系統的擴張。

2005年至2015年階段,農田生態系統迅速擴張,分別從森林、草地以及水域凈轉入49.05 km2、7.95 km2和3.76 km2,總體占比增加10.1%(圖3)。瀘沽湖當地土地利用規劃政策的農田重視導向,加之隨著旅游業的開發與社會經濟發展,當地農田土地開發的需求和能力也大大增加,而毀林開荒成為農田面積增長的最主要方式。

圖2 1990—2005年農田生態系統變化/km2 Fig.2 The transformation of farmland ecosystem during 1990—2005

圖3 2005—2015年農田生態系統變化/km2 Fig.3 The transformation of farmland ecosystem during 2005—2015

總體上,農田生態系統在25年間現增加后減少再增加,呈現波動增長態勢,面積增加74.3 km2,總體占比增加14.5%,其變化主要涉及從森林、草地的轉入以及向人居環境系統的轉出,主要驅動因素為政策導向。

2.3.2森林生態系統變化驅動因素分析

1990—2005年階段,瀘沽湖區域森林生態系統面積先減少后增加但整體增加,主要從草地生態系統凈轉入26.07 km2,向農田生態系統凈轉出14.73 km2,總體占比增加2%(圖4)。1995年至2005年森林面積逐年呈增加態勢,寧蒗縣天然林資源保護工程實施過程中,從1999年就將天然林采伐產量已調減為零,而進一步的植樹造林工程使得森林覆蓋率逐年增加,使得部分草地轉化為林地。

然而2005—2015年階段,森林又開始呈現逐年減少的趨勢,向人居環境系統與農田生態系統分別凈轉出75.27、49.05 km2,總體占比減少23.5%(圖5)。隨著旅游業和社會經濟的發展,以往的森林保護政策與工程影響逐漸減弱,造成人居、農田對森林生態系統的不斷入侵,森林面積大幅減少。

森林生態系統在25年間總體上先增加后減少,其面積減少109.3 km2,其總體占比減少21.4%,其變化主要涉及從草地的轉入以及向人居、農田的轉出,主要驅動因素為政策保護與毀林開荒。

圖4 1990—2005年森林生態系統變化/km2Fig.4 The transformation of forest ecosystem during 1990—2005

圖5 2005—2015年森林生態系統變化/km2Fig.5 The transformation of forest ecosystem during 2005—2015

2.3.3草地生態系統變化驅動因素分析

1990—2005年階段,草地生態系統面積波動減少,向森林、農田生態系統分別凈轉出26.07、7.87 km2,總體占比減少7 %(圖6)。1990—1995年間草地生態系統凈轉出48.7 km2,總體占比減少9.6%；1995—2005年間草地生態系統增加13.2 km2,總體占比增長2.6%。植樹造林是草地生態系統面積減少的主要原因,而從2000年起實施的退耕還林還草工程也在一定程度上促使草地生態系統面積的增加。

2005—2015年階段,草地生態系統呈現多年減少趨勢,其面積減少15 km2,總體占比減少2.9 %,轉化為農田、森林和人居環境分別為10.41、11.74 km2和10.46 km2,其中,向農田及人居環境分別凈轉出7.95、10.2 km2,從森林生態系統凈轉入4.02 km2(圖7)。農田及人居環境系統入侵是草地生態系統減少的主要原因。

草地生態系統在25年間先減少后增加再減少,其面積減少50.5 km2,其總占比減低9.9 %,其變化主要涉及向森林、人居及農田的轉出,主要驅動因素為植樹造林與土地開發。

圖6 1990—2005年草地生態系統變化/km2Fig.6 The transformation of grassland ecosystem during 1990—2005

圖7 2005—1015年草地生態系統變化/km2Fig.7 The transformation of grassland ecosystem during 2005—2015

2.3.4水域生態系統變化驅動因素分析

1990—2005年階段,水域生態系統穩定波動,從草地凈轉入1.18 km2,向森林凈轉出0.87 km2,總體占比增加0.1%(圖8)。從1990到1995年間呈現增加態勢,而1995到2001年呈現減少態勢,其原因主要是1995年以后實施的永寧鄉開基河的河道整治工程,有5%水域生態系統轉化為森林生態系統大幅度減少了河漫灘水體的面積；但從2001年起,水域生態系統面積又有所增長,主要源于草海濕地出水口淤積大量水草后抬高水位引起的水面增加。

而2005—2015年階段,水域生態系統呈逐年減少態勢,向森林、草地、農田生態系統以及人居環境系統凈轉出分別為3.5、2.25、3.76 km2和5.03 km2,其總體占比減少4.7%(圖9)。26.1%水域生態系統轉化為其他生態系統,從空間位置來看主要集中在原有的河、湖漫灘濕地上,主要是由于在濕地大面積造林和人類活動造成的。

水域生態系統在25年間呈波動減少態勢,其面積減少23.5 km2,其總體占比減少4.6%,其變化主要涉及向森林、人居及農田的轉出,主要驅動因素為濕地造林與人類活動入侵。

圖8 1990—2005年水域生態系統變化/km2Fig.8 The transformation of waters ecosystem during 1990—2005

圖9 2005—2015年水域生態系統變化/km2Fig.9 The transformation of waters ecosystem during 2005—2015

2.3.5人居環境系統變化驅動因素分析

1990—2005年階段,人居環境系統面積占比不足5%且基本穩定,分別向森林、農田生態系統凈轉出0.17、0.22 km2,從草地生態系統凈轉入0.29 km2(圖10)。在此階段,瀘沽湖區域旅游業及社會經濟發展落后,人跡罕至,而當地常住人口數較少,村落建設不發達。

而2005—2015年階段,人居環境系統呈現激增態勢,分別從農田、森林、草地及水域生態系統凈轉入15.29、75.27、10.2 km2和5.03 km2,其總面積增加106.8 km2,其總體占比增加20.9%(圖11)。近年來旅游業開發,帶來更多的人居環境用地需求,其具體表現為各類生態系統整體流向人居環境系統。

圖10 1990—2005年人居環境系統變化/km2Fig.10 The transformation of human settlements system during 1990—2005

圖11 2005—2015年人居環境系統變化/km2Fig.11 The transformation of human settlements system during 2005—2015

人居環境系統在25年間總體上持續增加,特別是近年來呈現激增趨勢,其面積增加109 km2,其總體占比增加21.3%,其變化主要涉及森林、農田生態系統的轉入,主要驅動因素為人類用地需求。

3 結論

本文將1990—2015年多時相遙感影像與地理信息系統技術結合,采用生態系統信息分類提取方法和景觀指數方法對瀘沽湖風景區生態系統構成與格局變化進行分析,進一步探討引起各類生態系統變化的驅動力因素,為瀘沽湖風景區的生態與旅游規劃提供科學和理論基礎。通過研究結果分析,主要結論如下：

瀘沽湖風景區多年生態系統變化主要分為兩個階段：1990年至2005年,主要表現為農田、森林、草地三個生態系統之間相互轉化；2005年至2015年,主要表現為森林、草地、水域生態系統整體流向農田、人居環境系統。

瀘沽湖風景區多年景觀格局演變主要分為兩個階段：1990—2001年瀘沽湖區域景觀破碎化趨勢加??；2001—2015年區域景觀破碎化與復雜程度呈下降趨勢,各生態系統類型之間差異逐漸增大。

瀘沽湖風景區1990—2015年間,農田、森林、草地以及水域生態系統連通性及整體性不斷增強,景觀破碎化程度降低；人居環境系統景觀指數變化幅度最大,其景觀破碎化程度急速增加。

農田生態系統變化的主要驅動力是政策導向；森林與草地生態系統變化的主要驅動力是退耕還林還草工程與人類活動；水域生態系統變化主要驅動因素是濕地造林與人類活動入侵；人居環境系統變化的主要驅動因素為人類用地需求的增漲。

4 建議

從瀘沽湖多年整體生態系統演變過程來看,人居環境系統及農田生態系統的擴張,已經導致其他生態系統的退化減少,特別是森林及水域的減少,嚴重影響了瀘沽湖生態系統健康及生態系統服務功能的完整性。因而,如何進一步改善生態系統構成與格局是瀘沽湖區域的當務之急,應當從以下幾點建議出發考慮。

4.1 湖濱生態帶建設

瀘沽湖湖濱緩沖帶土地利用結構不盡合理,很有可能導致湖體面積進一步被人居環境系統侵蝕。因此,開展湖濱海岸帶生態修復建設,保護環湖沿岸湖濱生態系統服務功能的完整性,嚴格限制湖濱旅游開發項目和建設,控制旅游區內建房擠占湖濱生態帶的空間對保護和維持瀘沽湖水域生態系統健康具有十分重要的意義。

4.2 封山造林與退耕還林并重

瀘沽湖近年來植被破壞嚴重,主要體現為農田及人居環境系統不斷入侵,加之區內人工造林成活率較低,使得區域內森林覆蓋率的大幅降低。因此,鑒于瀘沽湖區內森林多生于山地,有封山育林的條件,可以3600 m等高線為界,高于此界的范圍建議設為生態保護區,嚴禁毀林開荒與砍材伐薪,同時大面積開展植樹造林與坡耕地退耕還林工程,確保區內森林覆蓋率穩步提升。

4.3 環境物聯網建設

瀘沽湖區域的生態系統變化過程趨于無序的發展,缺少系統的規劃與調控。物聯網環境體系可以通過實時、長期的環境監測,客觀真實的反映瀘沽湖景區生態系統構成及其格局狀態,并對區內生態系統變化進行系統的實地監測與記錄。此外,基于完整、系統的環境數據庫管理,可以進一步對瀘沽湖景區內生態系統變化的主要壓力源進行科學合理的分析解釋。在生態修復治理工程進行前、進行中及完成后都能對其進展和成效進行及時的反饋與分析,對生態修復工作的內容及范圍給予直接支持,為環境保護與治理工作及最終實現區域可持續發展提供基礎和保障。